Polymer

Aussehen von echten linearen Polymerketten, wie sie mit einem aufgezeichnet werden Atomkraftmikroskop auf einer Oberfläche unter flüssigem Medium. Kette Konturlänge Denn dieses Polymer ist ~ 204 nm; Die Dicke beträgt ~ 0,4 nm.^[1]

A Polymer (/ˈpɒlɪmər/;^[4][5] griechisch Poly-, "viele" + -Mer, "Teil") ist a Substanz oder Material bestehend aus sehr groß Moleküle genannt Makromoleküleaus vielen Untereinheiten wiederholen.^[6] Aufgrund ihres breiten Eigenschaftenspektrums,^[7] Sowohl synthetische als auch natürliche Polymere spielen im Alltag eine wesentliche und allgegenwärtige Rolle.^[8] Polymere reichen von vertraut synthetische Kunststoffe wie zum Beispiel Polystyrol zu natürlich Biopolymere wie zum Beispiel DNA und Proteine das sind für die biologische Struktur und Funktion von grundlegender Bedeutung. Sowohl natürliche als auch synthetische Polymere werden über über Polymerisation von vielen kleinen Molekülen, bekannt als Monomere. Ihre folglich groß molekulare Masse, relativ zu kleines Molekül Verbindungen, produziert einzigartig physikalische Eigenschaften einschließlich Zähigkeit, hoch Elastizität, Viskoelastizitätund eine Tendenz zu formen amorph und Semikristalline Strukturen und nicht Kristalle.

Der Begriff "Polymer" leitet sich vom griechischen Wort πολύς ab (Polus, bedeutet "viele, viel") und μέρος (Meros, was "Teil" bedeutet). Der Begriff wurde 1833 von geprägt von Jöns Jacob Berzelius, obwohl mit einer Definition Unterscheidet von der Moderne IUPAC Definition.^[9][10] Das moderne Konzept der Polymere als kovalent gebundene makromolekulare Strukturen wurde 1920 von vorgeschlagen Hermann Staudinger,^[11] der das nächste Jahrzehnt damit verbracht hat, experimentelle Beweise für diese Hypothese zu finden.^[12]

Polymere werden in den Feldern von untersucht Polymerwissenschaft (welches beinhaltet Polymerchemie und Polymerphysik), Biophysik und Materialwissenschaft und Ingenieurwesen. Historisch gesehen entstehen Produkte, die sich aus der Verknüpfung von wiederholten Einheiten von ergeben kovalent chemische Bindungen waren der Hauptschwerpunkt der Polymerwissenschaft. Ein aufstrebender wichtiger Bereich konzentriert sich jetzt auf Supramolekulare Polymere gebildet durch nichtkovalente Links. Polyisopren von Latex Gummi ist ein Beispiel für ein natürliches Polymer und die Polystyrol von Styropor ist ein Beispiel für ein synthetisches Polymer. In biologischen Kontexten, im Wesentlichen alle biologisch Makromoleküle—I.E., Proteine ​​(Polyamide), Nukleinsäuren (Polynukleotide) und Polysaccharide sind rein polymer oder bestehen im großen Teil der polymeren Komponenten.

Cartoonschema von Polymermolekülen

Häufige Beispiele

Struktur von a Styrol-Butadien Kette aus einer molekularen Simulation.

Polymere sind zwei Arten: natürlich vorkommend und synthetisch oder Mann gemacht.

Natürlich

Natürliche polymere Materialien wie zum Beispiel Hanf, Schellack, Bernstein, wolle, Seideund natürlich Gummi werden seit Jahrhunderten verwendet. Es gibt eine Vielzahl anderer natürlicher Polymere, wie z. Zellulose, das ist der Hauptbestandteil von Holz und Papier.

Synthetik

Das Liste der synthetischen Polymere, ungefähr in der Reihenfolge der weltweiten Nachfrage, beinhaltet einschließlich Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol, Polyvinylchlorid, Synthesekautschuk, Phenolformaldehydharz (oder Bakelit), Neopren, Nylon, Polyacrylnitril, PVB, Silikon, und viele mehr. Jedes Jahr (2015) werden mehr als 330 Millionen Tonnen dieser Polymere hergestellt.^[13]

Am häufigsten besteht das kontinuierlich verbundene Rückgrat eines Polymers, das für die Herstellung von Kunststoffen verwendet wird Kohlenstoff Atome. Ein einfaches Beispiel ist Polyethylen ('Polythene' im britischen Englisch), dessen Wiederholungseinheit oder Monomer ist Ethylen. Es gibt viele andere Strukturen; Zum Beispiel bilden Elemente wie Silizium bekannte Materialien wie Silikone, Beispiele sind Dummer Kitt und wasserdichtes Sanitärverdichtungsmittel. Sauerstoff ist auch üblicherweise in Polymer -Rückgrat Polyethylenglykol, Polysaccharide (in Glykosidbindungen), und DNA (in Phosphodiesterbindungen).

Geschichte

Polymere sind seit den frühen Tagen der Menschheit wesentliche Bestandteile von Waren. Die Verwendung von wolle (Keratin), Baumwolle und Leinen- Fasern (Zellulose) für Kleidungsstücke, Papierschilf (Zellulose) zum Papier sind nur einige Beispiele dafür, wie unsere Vorfahren polymerhaltige Rohstoffe ausgenutzt haben, um Artefakte zu erhalten. Der Latexsaft von "Caoutchouc" -Bäume (natürliches Gummi) Europa im 16. Jahrhundert aus Südamerika lange danach erreichte Olmec, Maya und aztekisch hatte angefangen, es als Material zu verwenden, um Kugeln, wasserdichte Textilien und Behälter herzustellen.^[14]

Die chemische Manipulation von Polymeren stammt aus dem 19. Jahrhundert, obwohl die Natur dieser Spezies zu der Zeit nicht verstanden wurde. Das Verhalten von Polymeren wurde ursprünglich gemäß der Theorie rationalisiert Thomas Graham die sie als kolloidale Aggregate kleiner Moleküle betrachteten, die von unbekannten Kräften zusammengehalten wurden.

Ungeachtet des mangelnden theoretischen Wissens wurde das Potenzial von Polymeren zur Bereitstellung innovativer, zugänglicher und billiger Materialien sofort erfasst. Die Arbeiten von durchgeführt von BRACONNOT, Parkes, Luderdorf, Hayard und viele andere zur Veränderung natürlicher Polymere bestimmten viele signifikante Fortschritte auf dem Gebiet.^[15] Ihre Beiträge führten zur Entdeckung von Materialien wie z. Zelluloid, Galalith, Parkesin, Rayon, Vulkanisierter Gummi und später, Bakelit: Alle Materialien, die schnell in industrielle Herstellungsprozesse eintraten und Haushalte als Kleidungskomponenten erreichten (Komponenten des Kleidungsstücks (z.B., Stoffe, Knöpfe), Geschirr und dekorative Gegenstände.

1920, Hermann Staudinger veröffentlichte seine wegweisende Arbeit „Überpolymerisation“,^[16] in dem er vorschlug, dass Polymere tatsächlich lange Ketten von Atomen waren, die durch kovalente Bindungen verbunden waren. Seine Arbeit wurde ausführlich diskutiert, aber schließlich wurde sie von der wissenschaftlichen Gemeinschaft akzeptiert. Aufgrund dieser Arbeit wurde Staudinger 1953 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.^[17]

Nach den 1930er Jahren traten Polymere in ein goldenes Zeitalter ein, in dem neue Typen entdeckt und schnell kommerzielle Anwendungen gegeben wurden, wodurch natürlich übergreifende Materialien ersetzt wurden. Diese Entwicklung wurde von einem Industriesektor mit einem starken wirtschaftlichen Antrieb angeheizt und von einer breiten akademischen Gemeinschaft unterstützt, die mit innovativer Synthese von Monomeren aus billigeren Rohstoffen, effizienteren Polymerisationsprozessen, verbesserten Techniken für die Polymercharakterisierung und fortgeschrittenes theoretisches Verständnis von Polymeren beigetragen hat .^[15]

Seit 1953, Sechs Nobelpreise wurden im Gebiet der Polymerwissenschaft ausgezeichnet, ausgenommen diejenigen für die Forschung zu Biologische Makromoleküle. Dies zeugt weiter auf die moderne Wissenschaft und Technologie. Wie Lord Todd Zusammenfassend fasste es 1980 zusammen: „Ich bin geneigt zu der Meinung, dass die Entwicklung der Polymerisation vielleicht das größte, was Chemie getan hat, wo sie den größten Einfluss auf den Alltag hatte.“^[19]

Synthese

Eine Klassifizierung der Polymerisationsreaktionen

Polymerisation ist der Prozess, um viele zu kombinieren kleine Moleküle Bekannt als Monomere in einer kovalent gebundenen Kette oder einem kovalent gebundenen Netzwerk. Während des Polymerisationsprozesses können einige chemische Gruppen aus jedem Monomer verloren gehen. Dies geschieht bei der Polymerisation von Haustierpolyester. Die Monomere sind Terephthalsäure (Hooc - C₆H₄—COOH) und Ethylenglykol (Ho - Ch₂-CH₂- oh) aber die sich wiederholende Einheit ist - OC - C.₆H₄- Coo - Ch₂-CH₂–O -, was der Kombination der beiden Monomere mit dem Verlust von zwei Wassermolekülen entspricht. Das unterschiedliche Stück jedes Monomers, das in das Polymer eingebaut ist Wiederholungseinheit oder Monomerreste.

Synthetische Methoden sind im Allgemeinen in zwei Kategorien unterteilt, Schrittwachstumspolymerisation und Kettenpolymerisation.^[20] Der wesentliche Unterschied zwischen den beiden besteht darin, dass in der Kettenpolymerisation Monomere nur einzeln zur Kette hinzugefügt werden.^[21] wie in Polystyrolwährend in Schrittwachstumspolymerisationsketten von Monomeren direkt miteinander kombinieren können,^[22] wie in Polyester. Stiefwachstumspolymerisation kann unterteilt werden in Polycondensation, in denen in jedem Reaktionsschritt ein Nebenprodukt mit niedrigem Masse gebildet wird, und Polyaddition.

Beispiel für die Kettenpolymerisation: radikale Polymerisation von Styrol, R. initiiert radikal, P. ist eine weitere radikale Polymerkette, die die gebildete Kette durch radikale Rekombination endet

Neuere Methoden wie z. Plasmapolymerisation Passen Sie nicht ordentlich in beide Kategorien ein. Synthetische Polymerisationsreaktionen können mit oder ohne a durchgeführt werden Katalysator. Laborsynthese von Biopolymeren, insbesondere von Proteine, ist ein Bereich intensiver Forschung.

Biologische Synthese

Mikrostruktur eines Teils einer DNA Doppelhelix Biopolymer

Es gibt drei Hauptklassen von Biopolymeren: Polysaccharide, Polypeptide, und Polynukleotide. In lebenden Zellen können sie durch enzymvermittelte Prozesse synthetisiert werden, wie beispielsweise die Bildung von DNA-katalysierten durch DNA -Polymerase. Das Synthese von Proteinen beinhaltet mehrere enzymvermittelte Prozesse an transkribieren genetische Informationen von der DNA bis RNA und folglich Übersetzen Diese Informationen, um das angegebene Protein aus zu synthetisieren Aminosäuren. Das Protein kann sein weiter geändert Nach Übersetzung, um eine geeignete Struktur und Funktion zu liefern. Es gibt andere Biopolymere wie Gummi, Suberin, Melanin, und Lignin.

Modifikation natürlicher Polymere

Natürlich vorkommende Polymere wie z. Baumwolle, Stärkeund Gummi waren jahrelang vertraute Materialien, bevor synthetische Polymere wie z. Polyethen und Perspex erschien auf dem Markt. Viele kommerziell wichtige Polymere werden durch chemische Modifikation natürlich vorkommender Polymere synthetisiert. Prominente Beispiele sind die Reaktion von Salpetersäure und Zellulose Formen Nitrocellulose und die Bildung von Vulkanisierter Gummi durch Erhitzen von Naturkautschuk in Gegenwart von Schwefel. Wege, wie Polymere modifiziert werden können Oxidation, Vernetzung, und Endkappen.

Struktur

Die Struktur eines polymeren Materials kann in unterschiedlichen Längenskalen von der Sub-NM-Längenskala bis zur makroskopischen Länge beschrieben werden. Es gibt in der Tat eine Hierarchie von Strukturen, in der jede Stufe die Grundlagen für die nächste liefert.^[23] Der Ausgangspunkt für die Beschreibung der Struktur eines Polymers ist die Identität seiner konstituierenden Monomere. Als nächstes die Mikrostruktur beschreibt im Wesentlichen die Anordnung dieser Monomere innerhalb des Polymers im Maßstab einer einzelnen Kette. Die Mikrostruktur bestimmt die Möglichkeit, dass das Polymer Phasen mit unterschiedlichen Anordnungen bildet, z. B. durch Kristallisation, das Glasübergang oder Mikrofasentrennung.^[24] Diese Merkmale spielen eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der physikalischen und chemischen Eigenschaften eines Polymers.

Monomere und Wiederholungseinheiten

Die Identität der Wiederholungseinheiten (Monomerreste, auch bekannt als "MERS"), das ein Polymer umfasst, ist das erste und wichtigste Attribut. Die Polymer -Nomenklatur basiert im Allgemeinen auf der Art der Monomerreste, die das Polymer umfassen. Ein Polymer, das nur einen einzigen Typ von enthält Wiederholungseinheit ist als a bekannt Homopolymer, während ein Polymer mit zwei oder mehr Arten von Wiederholungseinheiten als a bekannt ist Copolymer.^[25] A Terpolymer ist ein Copolymer, das drei Arten von Wiederholungseinheiten enthält.^[26]

Polystyrol ist nur bestehen aus Styrol-Basierte Wiederholungseinheiten und wird als Homopolymer eingestuft. Polyethylen Terephthalat, obwohl er aus zwei verschiedenen hergestellt wurde Monomere (Ethylenglykol und Terephthalsäure), wird normalerweise als Homopolymer angesehen, da nur eine Art von Wiederholungseinheit gebildet wird. Ethylen-Vinylacetat Enthält mehr als eine Vielzahl von Wiederholungseinheiten und ist ein Copolymer. Einige biologische Polymere bestehen aus einer Vielzahl verschiedener, aber strukturell verwandter Monomerreste; zum Beispiel, Polynukleotide wie DNA bestehen aus vier Arten von Arten Nukleotid Untereinheiten.

Homopolymere und Copolymere (Beispiele)
Homopolymer Polystyrol	Homopolymer Polydimethylsiloxan, a Silikon. Die Hauptkette besteht aus Silizium- und Sauerstoffatomen.	Das Homopolymer Polyethylen Terephthalat hat nur einen Wiederholungseinheit.	Copolymer Styrol-Butadien-Gummi: Die wiederholten Einheiten basieren auf Styrol und 1,3-Butadien bilden zwei wiederholende Einheiten, die sich in der Reihenfolge im Makromolekül abwechseln können, was das Polymer somit zu einem zufälligen Copolymer macht.

Ein Polymer, das ionisierbare Untereinheiten enthält (z. B. Anhänger Carboxylgruppen) ist als a bekannt Polyelektrolyt oder Ionomer, wenn der Anteil ionisierbarer Einheiten groß oder klein ist.

Mikrostruktur

Die Mikrostruktur eines Polymers (manchmal als Konfiguration bezeichnet) bezieht sich auf die physikalische Anordnung von Monomerresten am Rückgrat der Kette.^[27] Dies sind die Elemente der Polymerstruktur, die das Brechen einer kovalenten Bindung erfordern, um sich zu ändern. In Abhängigkeit von den Monomeren und Reaktionsbedingungen können verschiedene Polymerstrukturen erzeugt werden: Ein Polymer kann aus linearen makromolekülen bestehen, die jeweils nur eine unverzündete Kette enthalten. Im Fall von unverzarrtem Polyethylen ist diese Kette eine lange Kette n-ALKANE. Es gibt auch verzweigte Makromoleküle mit Hauptkette und Seitenketten, bei Polyethylen wären die Seitenketten Alkylgruppen. Insbesondere unverzweigte Makromoleküle können sich im festen festen Kristallkettenabschnitte in der Abbildung unten im festen festen Kristallkettenabschnitte befinden.

Während verzweigte und unverzweigte Polymere normalerweise Thermoplastik sind, viele, viele Elastomere Haben Sie eine weit verbreitete Vernetzung zwischen den "Hauptketten". Die enge Vernetzung hingegen führt zu Thermosets. Vernetzungen und Zweige werden in den Abbildungen als rote Punkte dargestellt. Hoch verzweigte Polymere sind amorph und die Moleküle im festen Wechselwirkung zufällig interagieren.

lineare, unverzweigte Makromolekül

verzweigte Makromolekül

halbkristalline Struktur eines unverzarrten Polymers

leicht vernetzt Polymer (Elastomer))

Hoch vernetztes Polymer (Thermoset))

Polymerarchitektur

Zweigpunkt in einem Polymer

Ein wichtiges mikrostrukturelles Merkmal eines Polymers ist seine Architektur und Form, die sich auf die Art und Weise bezieht, wie Zweigpunkte zu einer Abweichung von einer einfachen linearen Kette führen.^[28] A verzweigtes Polymer Das Molekül besteht aus einer Hauptkette mit einer oder mehreren Substituenten -Seitenketten oder -ästen. Zu den Arten von verzweigten Polymeren gehören Sternpolymere, Kammpolymere, Polymerbürsten, Dendronisierte Polymere, Leiterpolymere, und Dendrimere.^[28] Es gibt auch Zweidimensionale Polymere (2DP), die aus topologisch planaren Wiederholungseinheiten bestehen. Die Architektur eines Polymers betrifft viele ihrer physikalischen Eigenschaften, einschließlich Lösungsviskosität, Schmelzviskosität, Löslichkeit in verschiedenen Lösungsmitteln, Glasübergang Temperatur und Größe einzelner Polymerspulen in Lösung. Zum Beispiel kann eine Vielzahl von Techniken zur Synthese eines polymeren Materials mit einer Reihe von Architekturen angewendet werden lebende Polymerisation.

Kettenlänge

Ein häufiges Mittel, um die Länge einer Kette auszudrücken, ist das Polymerisationsgrad, was die Anzahl der in die Kette eingebauten Monomere quantifiziert.^[29][30] Wie bei anderen Molekülen kann auch die Größe eines Polymers in Bezug auf das ausgedrückt werden Molekulargewicht. Da synthetische Polymerisationstechniken typischerweise eine statistische Verteilung der Kettenlängen ergeben, wird das Molekulargewicht in Bezug auf gewichtete Durchschnittswerte ausgedrückt. Das Zahlenübergreifendes Molekulargewicht (M_n) und Gewichtsdurchschnittlicher Molekulargewicht (M_w) werden am häufigsten gemeldet.^[31][32] Das Verhältnis dieser beiden Werte (M_w / M_n) ist der Dispersität (Đ), das üblicherweise verwendet wird, um die Breite der Molekulargewichtsverteilung auszudrücken.^[33]

Die physikalischen Eigenschaften^[34] des Polymers hängen stark von der Länge (oder dem gleichwertigen Molekulargewicht) der Polymerkette ab.^[35] Ein wichtiges Beispiel für die physikalischen Folgen des Molekulargewichts ist die Skalierung der Viskosität (Widerstand gegen Fluss) in der Schmelze.^[36] Der Einfluss des Gewichtsdurchschnittsmolekulargewichts (${\ displayStyle m_ {w}}$) auf der Schmelzviskosität (${\ displayStyle \ eta}$) hängt davon ab, ob sich das Polymer über oder unter dem Beginn von befindet Verwicklungen. Unter dem Verstrickungsmolekulargewicht^{[Klarstellung erforderlich]}, ${\ displayStyle \ eta \ sim {m_ {w}}^{1}}$während über dem Verstrickungsmolekulargewicht, während ${\ displayStyle \ eta \ sim {m_ {w}}^{3.4}}$. Im letzteren Fall würde die Erhöhung der Polymerkettenlänge um das 10-fache die Viskosität um das 1000-fache erhöhen.^{[37][Seite benötigt]} Zunehmende Kettenlänge außerdem neigt dazu, die Kettenmobilität zu verringern, die Festigkeit und Zähigkeit zu erhöhen und die Glasübergangstemperatur zu erhöhen (t_g).^[38] Dies ist ein Ergebnis der Zunahme von Kettenwechselwirkungen wie z. Van der Waals Attraktionen und Verwicklungen Das kommt mit erhöhter Kettenlänge.^[39][40] Diese Wechselwirkungen neigen dazu, die einzelnen Ketten stärker in Position zu reparieren und Deformationen und Matrix -Trennung zu widerstehen, sowohl bei höheren Spannungen als auch bei höheren Temperaturen.

Monomeranordnung bei Copolymeren

Copolymere werden entweder als statistische Copolymere, abwechselnde Copolymere, Blockcopolymere, Transplantatcopolymere oder Gradientencopolymere klassifiziert. In der schematischen Abbildung unten, Ⓐ und Ⓑ symbolisieren die beiden Einheiten wiederholen.

Zufälliger Copolymer	Gradientencopolymer	Transplantatcopolymer
Wechselcopolymer	Blockcopolymer

• Wechselcopolymere Besitzen Sie zwei regelmäßig wechselende Monomerreste:^[41] {{kein Tippfehler [AB]_n}}. Ein Beispiel ist das äquimolare Copolymer von Styrol und Maleinsäureanhydrid gebildet durch freie Polymerisation von Kettenwachstumspolymerisation.^[42] Ein Schrittwachstumcopolymer wie z. Nylon 66 kann auch als streng abwechselnde Copolymer aus Diamin- und Diacid -Resten angesehen werden, wird jedoch häufig als Homopolymer mit dem dimeren Rest eines Amin und einer Säure als Wiederholungseinheit beschrieben.^[43]
• Periodische Copolymere haben mehr als zwei Arten von Monomereinheiten in einer regelmäßigen Reihenfolge.^[44]
• Statistische Copolymere Monomerreste nach einer statistischen Regel arrangieren. Ein statistisches Copolymer, bei dem die Wahrscheinlichkeit, einen bestimmten Typ von Monomerresten an einem bestimmten Punkt in der Kette zu finden Zufälliger Copolymer.^[45][46] Zum Beispiel das Kettenwachstumskopolymer von Vinylchlorid und Vinylacetat ist zufällig.^[42]
• Blockcopolymere haben lange Sequenzen verschiedener Monomereinheiten.^[42][43] Polymere mit zwei oder drei Blöcken von zwei unterschiedlichen chemischen Spezies (z. B. A und B) werden als Diblockcopolymere bzw. Triblockcopolymere bezeichnet. Polymere mit drei Blöcken, jeweils eine andere chemische Spezies (z. B. A, B und C), werden als Triblock -Terpolymere bezeichnet.
• Copolymere transplantieren oder gepfropfte enthalten Seitenketten oder Zweige, deren Wiederholungseinheiten eine andere Zusammensetzung oder Konfiguration haben als die Hauptkette.^[43] Die Zweige werden zu einer vorgeformten Hauptkette -Makromolekül hinzugefügt.^[42]

Monomere innerhalb eines Copolymers können auf vielfältige Weise entlang des Rückgrats organisiert werden. Ein Copolymer, das eine kontrollierte Anordnung von Monomeren enthält Sequenzkontrolliertes Polymer.^[47] Wechsel-, periodische und Blockcopolymere sind einfache Beispiele für Sequenzkontrollierte Polymere.

Taktizität

Taktizität beschreibt den Verwandten Stereochemie von chiral Zentren in benachbarten Struktureinheiten innerhalb eines Makromoleküls. Es gibt drei Arten von Taktizität: Isotaktik (alle Substituenten auf der gleichen Seite), Ataktisch (zufällige Platzierung von Substituenten) und Sydiotaktik (Wechsel zur Platzierung von Substituenten).

Isotaktik

Sydiotaktik

Ataktisch (i. E. zufällig)

Morphologie

Die Polymermorphologie beschreibt im Allgemeinen die Anordnung und die mikroskalige Ordnung von Polymerketten im Raum. Die makroskopischen physikalischen Eigenschaften eines Polymers hängen mit den Wechselwirkungen zwischen den Polymerketten zusammen.

Zufällig orientiertes Polymer

Ineinandergreifend mehreren Polymeren

• Ungeordnete Polymere: Im Festkörper, ataktische Polymere, Polymere mit einem hohen Grad an Verzweigung und zufällige Copolymere bilden sich amorph (d. h. glasige Strukturen).^[48] In Schmelze und Lösung neigen Polymere dazu, einen sich ständig verändernden "statistischen Cluster" zu bilden, siehe freigelassenes Modell. In dem fester Zustand, der jeweils Konformationen der Moleküle sind gefroren. Haken und Verstrickung von Kettenmolekülen führen zu einer "mechanischen Bindung" zwischen den Ketten. Intermolekular und intramolekulare attraktive Kräfte treten nur an Stellen auf, an denen Molekülsegmente nahe genug zueinander sind. Die unregelmäßigen Strukturen der Moleküle verhindern eine engere Anordnung.

Polyethylen: Zick -Zack -Konformation von Molekülen in engen gepackten Ketten

Lamellen mit Krawattenmolekülen

Spherulit

Polypropylen Wendel

p-Aramid, Rot gepunktet: Wasserstoffbrückenbindungen

• Lineare Polymere Mit periodischer Struktur haben niedrige Verzweigungen und Stereoregularität (z. B. nicht ataktisch) a halbkristalline Struktur im Festkörper.^[48] In einfachen Polymeren (wie Polyethylen) sind die Ketten im Kristall in der Zickzackkonformation vorhanden. Mehrere Zickzackkonformationen bilden dichte Kettenpackungen, die als Kristallite oder Lamellen bezeichnet werden. Die Lamellen sind viel dünner als die Polymere lang (oft ca. 10 nm).^[49] Sie werden durch mehr oder weniger regelmäßiges Falten eines oder mehrerer molekularer Ketten gebildet. Zwischen den Lamellen existieren amorphe Strukturen. Einzelne Moleküle können zu Versteißungen zwischen den Lamellen führen und auch an der Bildung von zwei (oder mehr) Lamellen (Ketten als Krawattenmoleküle) beteiligt sein. Mehrere Lamellen bilden einen Aufbau, a Spherulitoft mit einem Durchmesser im Bereich von 0,05 bis 1 mm.^[49]

Die Art und Anordnung von (funktionellen) Resten der Wiederholungseinheiten wirkt sich aus oder bestimmt die Kristallinität und Stärke der sekundären Valenzbindungen. In isotaktischen Polypropylen bilden die Moleküle eine Helix. Wie die Zickzackkonformation ermöglichen solche Helices eine dichte Kettenverpackung. Besonders starke intermolekulare Wechselwirkungen treten auf, wenn die Reste der sich wiederholenden Einheiten die Bildung von erlauben Wasserstoffbrücken, wie im Fall von p-aramid. Die Bildung starker intramolekularer Assoziationen kann verschiedene gefaltete Zustände einzelner linearer Ketten mit unterschiedlichem Erzeugnis erzeugen Kreislauftopologie. Kristallinität und Überbau sind immer von den Bedingungen ihrer Bildung abhängig, siehe auch: Kristallisation von Polymeren. Im Vergleich zu amorphen Strukturen führen halbkristalline Strukturen zu einer höheren Steifheit, Dichte, Schmelztemperatur und höherem Widerstand eines Polymers.

• Vernetzte Polymere: Weit verteilte vernetzte Polymere sind Elastomere und kann nicht geschmolzen sein (anders als Thermoplastik); Erwärmen vernetzte Polymere führt nur zu Zersetzung. Thermoplastische ElastomereAndererseits sind reversibel "physisch vernetzt" und können geschmolzen werden. Blockcopolymere, bei denen ein hartes Segment des Polymers dazu neigt, zu kristallisieren, und ein weiches Segment eine amorphe Struktur aufweist, sind eine Art thermoplastische Elastomere: Die harten Segmente sorgen für weit verwertete, physikalische Vernetzung.

weit verteilter vernetzter Polymer (Elastomer)

weit verteilter vernetzter Polymer (Elastomer) unter Zugspannung

Kristallite als "Vernetzungsstellen": eine Art von Art von Thermoplastisches Elastomer

Halbkristalline thermoplastisches Elastomer unter Zugspannung

Kristallinität

Bei Anwendung auf Polymere der Begriff kristallin Hat eine etwas mehrdeutige Verwendung. In einigen Fällen der Begriff kristallin findet eine identische Verwendung mit dem, das in konventionellem verwendet wird Kristallographie. Zum Beispiel die Struktur eines kristallinen Proteins oder Polynukleotids, wie z. B. eine Probe für vorbereitet für Röntgenkristallographie, kann als konventionelle Einheitszelle definiert werden, die aus einem oder mehreren Polymermolekülen mit Zelldimensionen von Hunderten von besteht Angstrome oder mehr. Ein synthetisches Polymer kann locker als kristallin beschrieben werden, wenn es Regionen mit dreidimensionaler Ordnung auf atomarer (anstelle makromolekularer) Längenskalen enthält, die normalerweise aus intramolekularer Faltung oder Stapelung benachbarter Ketten erfolgen. Synthetische Polymere können sowohl aus kristallinen als auch aus amorphen Regionen bestehen; Der Kristallinitätsgrad kann in Bezug auf eine Gewichtsfraktion oder eine Volumenfraktion von Kristallmaterial ausgedrückt werden. Nur wenige synthetische Polymere sind völlig kristallin.^[50] Die Kristallinität von Polymeren ist durch ihren Kristallinitätsgrad gekennzeichnet, der von Null für ein vollständig nicht kristallines Polymer bis zu einem für ein theoretisches vollständig kristallines Polymer reicht. Polymere mit mikrokristallinen Regionen sind im Allgemeinen schwieriger (können mehr ohne Brechen gebeugt werden) und im wirkungsbeständigen als völlig amorphen Polymere.^[51] Polymere mit einem Kristallinitätsgrad, der sich Null oder einer nähert, sind tendenziell transparent, während Polymere mit Zwischenkristallinitätsgraden aufgrund der leichten Streuung durch kristalline oder glasartige Regionen tendenziell undurchsichtig sind. Für viele Polymere kann Kristallinität auch mit einer verminderten Transparenz verbunden sein.

Kettenkonformation

Der Raum, der durch ein Polymermolekül besetzt ist Radius der Gyration, was eine durchschnittliche Entfernung vom Massenzentrum der Kette bis zur Kette selbst ist. Alternativ kann es in Bezug auf ausgedrückt werden durchdrungenes VolumenDas Volumen, das von der Polymerkette überspannt ist und mit dem Würfel des Gyrierungsradius.^[52] Die einfachsten theoretischen Modelle für Polymere im geschmolzenen, amorphen Zustand sind Ideale Ketten.

Eigenschaften

Polymereigenschaften hängen von ihrer Struktur ab und werden nach ihrer physischen Basis in Klassen unterteilt. Viele physikalische und chemische Eigenschaften beschreiben, wie sich ein Polymer wie ein kontinuierliches makroskopisches Material verhält. Sie werden als Bulk -Eigenschaften eingestuft, oder Intensive Eigenschaften entsprechend Thermodynamik.

Mechanische Eigenschaften

Eine Polyethylenprobe, die hat Nacken unter Spannung.

Die Masseneigenschaften eines Polymers sind die meisten von Endgebrauchinteresse. Dies sind die Eigenschaften, die bestimmen, wie sich das Polymer tatsächlich auf einer makroskopischen Skala verhält.

Zugfestigkeit

Das Zugfestigkeit Von einem Material quantifiziert sich, wie viel länglicher Spannung das Material vor dem Versagen erduldet.^[53][54] Dies ist sehr wichtig bei Anwendungen, die auf der physischen Festigkeit oder Haltbarkeit eines Polymers beruhen. Zum Beispiel hält ein Gummiband mit einer höheren Zugfestigkeit ein größeres Gewicht vor dem Schnappen. Im Allgemeinen nimmt die Zugfestigkeit mit der Polymerkettenlänge zu und Vernetzung von Polymerketten.

Jungmodul der Elastizität

Elastizitätsmodul quantifiziert die Elastizität des Polymers. Es ist für kleine definiert Stämme, wie das Verhältnis der Änderungsrate der Stress zu Belastung. Wie die Zugfestigkeit ist dies bei Polymeranwendungen, an denen die physikalischen Eigenschaften von Polymeren wie Gummibändern beteiligt ist, von großer Bedeutung. Der Modul ist stark von der Temperatur abhängig. Viskoelastizität beschreibt eine komplexe zeitabhängige elastische Reaktion, die sich aufweisen wird Hysterese in der Spannungs-Dehnungs-Kurve, wenn die Last entfernt wird. Dynamische mechanische Analyse oder DMA misst diesen komplexen Modul durch Schwingen der Last und Messung des resultierenden Stammes als Funktion der Zeit.

Transporteigenschaften

Transporteigenschaften wie zum Beispiel Diffusivität Beschreiben Sie, wie schnell sich Moleküle durch die Polymermatrix bewegen. Diese sind in vielen Anwendungen von Polymeren für Filme und Membranen sehr wichtig.

Die Bewegung einzelner Makromoleküle erfolgt durch einen Prozess genannt Reptation in dem jedes Kettenmolekül durch Verwicklungen mit benachbarten Ketten eingeschränkt wird, um sich innerhalb eines virtuellen Rohrs zu bewegen. Die Theorie der Reptation kann die Polymermoleküldynamik erklären und Viskoelastizität.^[55]

Phasenverhalten

Kristallisation und Schmelzen

Wärmeleitübergänge in (EIN) amorph und (B) semikristalline Polymere, dargestellt als Spuren von Differentielle Scanningkalorimetrie. Wenn die Temperatur zunimmt, gehen sowohl amorphe als auch semikristalline Polymere durch die Glasübergang (T_g). Amorphe Polymere (EIN) Zeigen Sie keine anderen Phasenübergänge auf, obwohl semikristalline Polymere (B) Kristallisation und Schmelzen unterziehen (bei Temperaturen T_c und T_m, beziehungsweise).

Abhängig von ihren chemischen Strukturen können Polymere entweder halbkristallin oder amorph sein. Halbkristalline Polymere können durchlaufen Kristallisations- und Schmelzenübergängewährend amorphe Polymere dies nicht tun. In Polymeren deuten Kristallisation und Schmelzen keine festen Übergänge der Flüssig-Flüssigkeit hin, wie bei Wasser oder anderen molekularen Flüssigkeiten. Stattdessen beziehen sich Kristallisation und Schmelzen auf die Phasenübergänge zwischen zwei festen Zuständen (d.h., halbkristalline und amorph). Kristallisation tritt über der Glasübergangstemperatur auf (T_g) und unter der Schmelztemperatur (T_m).

Glasübergang

Alle Polymere (amorph oder halbkristalline) gehen durch Glasübergänge. Die Glasübergangstemperatur (T_g) ist ein entscheidender physikalischer Parameter für die Herstellung, Verarbeitung und Verwendung von Polymeren. Unter T_g, molekulare Bewegungen sind gefroren und Polymere sind spröde und glasig. Über T_g, molekulare Bewegungen werden aktiviert und Polymere sind gummiartig und viskoös. Die Glasübergangstemperatur kann durch Veränderung des Verzweigungsgrades oder der Vernetzung im Polymer oder durch Zugabe von konstruiert werden Weichmacher.^[56]

Während Kristallisation und Schmelzen erster Ordnung erster Ordnung sind PhasenübergängeDer Glasübergang ist nicht.^[57] Der Glasübergang enthält Merkmale der Phasenübergänge zweiter Ordnung (wie Diskontinuität in der Wärmekapazität, wie in der Abbildung gezeigt), wird jedoch im Allgemeinen nicht als thermodynamischer Übergang zwischen Gleichgewichtszuständen angesehen.

Mischverhalten

Phasendiagramm des typischen Mischverhaltens von schwach interagierenden Polymerlösungen, die zeigen Spinodal Kurven und binodal Koexistenzkurven.

Im Allgemeinen sind Polymermischungen weit weniger mischbar als Gemische von kleines Molekül Materialien. Dieser Effekt ergibt sich aus der Tatsache, dass die treibende Kraft zum Mischen normalerweise ist Entropie, keine Interaktionsenergie. Mit anderen Worten, mischbare Materialien bilden normalerweise eine Lösung, nicht weil ihre Wechselwirkung miteinander günstiger ist als ihre Selbstinteraktion, sondern aufgrund einer Erhöhung der Entropie und damit der freien Energie, die mit der Erhöhung des für jede Komponente verfügbaren Volumens verbunden ist. Diese Erhöhung der Entropieskalen, wobei die Anzahl der Partikel (oder Mol) gemischt wird. Da Polymermoleküle viel größer sind und daher im Allgemeinen viel höhere spezifische Volumina als kleine Moleküle aufweisen, ist die Anzahl der an einer Polymermischung beteiligten Moleküle weit kleiner als die Anzahl in einem kleinen Molekülmisch mit gleichem Volumen. Die Energetik des Mischens hingegen ist auf der Basis pro Volumen für polymere und kleine Molekülmischungen vergleichbar. Dies erhöht die freie Energie des Mischens für Polymerlösungen und macht damit die Solvation weniger günstig und macht damit die Verfügbarkeit konzentrierter Lösungen von Polymeren weitaus seltener als die von kleinen Molekülen.

Darüber hinaus ist das Phasenverhalten von Polymerlösungen und Gemischen komplexer als das von kleinen Molekülmischungen. Während die meisten kleinen Moleküllösungen nur eine aufweisen obere kritische Lösungstemperatur Phasenübergang (UCST), bei dem die Phasentrennung bei Kühlung auftritt. Polymermischungen zeigen üblicherweise a niedrigere kritische Lösungstemperatur Phasenübergang (LCST), bei dem die Phasentrennung bei Erwärmung auftritt.

In verdünnten Lösungen sind die Eigenschaften des Polymers durch die Wechselwirkung zwischen dem Lösungsmittel und dem Polymer gekennzeichnet. In einem guten Lösungsmittel erscheint das Polymer geschwollen und nimmt ein großes Volumen ein. In diesem Szenario dominieren intermolekulare Kräfte zwischen den Lösungsmittel- und Monomer -Untereinheiten über intramolekulare Wechselwirkungen. In einem schlechten Lösungsmittel oder schlechten Lösungsmittel dominieren intramolekulare Kräfte und die Kettenverträge. In dem Theta Lösungsmittel, oder der Zustand der Polymerlösung, in dem der Wert des zweiten Virialkoeffizienten zu 0 wird, ist die intermolekulare Polymer-Lösungsmittel-Abstoßungsabstoßung genau die intramolekulare Monomer-Monomer-Anziehung aus. Unter dem Theta -Zustand (auch als die genannt Flory Zustand) verhält sich das Polymer wie ein Ideal Zufällige Spule. Der Übergang zwischen den Zuständen ist als a bekannt Spulen -Globule -Übergang.

Einbeziehung von Weichmachern

Die Einbeziehung von Weichmachern tendiert dazu, t zu senken_g und die Polymerflexibilität erhöhen. Die Zugabe des Weichmachers ändert auch die Abhängigkeit der Glasübergangstemperatur t_g auf der Kühlrate.^[58] Die Mobilität der Kette kann sich weiter verändern, wenn sich die Moleküle des Weichmachers zur Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen verursachen. Weichmacher sind im Allgemeinen kleine Moleküle, die dem Polymer chemisch ähnlich sind und Lücken zwischen Polymerketten für eine größere Mobilität und weniger Wechselwirkungen zwischen den Ketten erzeugen. Ein gutes Beispiel für die Wirkung von Weichmachern hängt mit Polyvinylchloriden oder PVCs zusammen. Für Dinge wie Rohre wird ein UPVC oder ungeplastetes Polyvinylchlorid verwendet. Ein Rohr enthält keine Weichmacher, weil es stark und hitzebest werden muss. Plastizisierte PVC wird in Kleidung für eine flexible Qualität verwendet. Weichmacher werden auch in einige Arten von Haftfilm eingesetzt, um das Polymer flexibler zu machen.

Chemische Eigenschaften

Die attraktiven Kräfte zwischen Polymerketten spielen eine große Rolle bei der Bestimmung der Eigenschaften des Polymers. Da Polymerketten so lang sind, haben sie viele solcher Wechselwirkungen zwischen den Ketten pro Molekül und verstärken die Wirkung dieser Wechselwirkungen auf die Polymereigenschaften im Vergleich zu Attraktionen zwischen herkömmlichen Molekülen. Verschiedene Seitengruppen am Polymer können das Polymer an leihen ionische Bindung oder Wasserstoffbindung zwischen seinen eigenen Ketten. Diese stärkeren Kräfte führen typischerweise zu einer höheren Zugfestigkeit und höheren kristallinen Schmelzpunkten.

Die intermolekularen Kräfte in Polymeren können von beeinflusst werden Dipole in den Monomereinheiten. Polymere enthalten Amid oder Carbonyl Gruppen können sich bilden Wasserstoffbrücken zwischen benachbarten Ketten; Die teilweise positiv geladenen Wasserstoffatome in N-H-Gruppen einer Kette sind stark von den teilweise negativ geladenen Sauerstoffatomen in C = O-Gruppen auf einer anderen angezogen. Diese starken Wasserstoffbrückenbindungen führen beispielsweise zur hohen Zugfestigkeit und zum Schmelzpunkt von Polymeren, die enthalten Urethan oder Harnstoff Verknüpfungen. Polyester haben Dipol-Dipol-Bindung zwischen den Sauerstoffatomen in C = O-Gruppen und den Wasserstoffatomen in H-C-Gruppen. Die Dipolbindung ist nicht so stark wie Wasserstoffbrückenbindung, daher sind der Schmelzpunkt und die Stärke eines Polyester niedriger als Kevlar's (Twaron), aber Polyester haben eine größere Flexibilität. Polymere mit nichtpolaren Einheiten wie Polyethylen interagieren nur durch schwache Van der Waals kräftig. Infolgedessen haben sie normalerweise niedrigere Schmelztemperaturen als andere Polymere.

Wenn ein Polymer dispergiert oder in einer Flüssigkeit gelöst wird, wie in kommerziellen Produkten wie Farben und Klebstern, beeinflussen die chemischen Eigenschaften und molekularen Wechselwirkungen, wie die Lösung fließt und sogar dazu führen kann Selbstorganisation des Polymers in komplexe Strukturen. Wenn ein Polymer als Beschichtung angewendet wird, beeinflussen die chemischen Eigenschaften die Adhäsion der Beschichtung und wie es mit externen Materialien interagiert, wie z. Superhydrophober Polymerbeschichtungen, die zu Wasserwiderstand führen. Insgesamt sind die chemischen Eigenschaften eines Polymers wichtige Elemente für die Gestaltung neuer polymerer Materialprodukte.

Optische Eigenschaften

Polymere wie PMMA und Hema: MMA werden als Matrizen im Gewinnmedium von verwendet Festkörper-Farbstofflaser, auch als Festkörper-Farbstoff-Polymerlaser bekannt. Diese Polymere haben eine hohe Oberflächenqualität und sind auch sehr transparent, so dass die Lasereigenschaften von der dominiert werden Laserfarbstoff Wird verwendet, um die Polymermatrix zu dopieren. Diese Art von Lasern, die auch zur Klasse von gehören Bio -LaserEs ist bekannt, dass es sehr schmal liefert Linienbreiten Dies ist nützlich für Spektroskopie und analytische Anwendungen.^[59] Ein wichtiger optischer Parameter im in Laseranwendungen verwendeten Polymer ist die Änderung des Brechungsindex mit Temperatur, auch als DN/DT bezeichnet. Für die hier erwähnten Polymere (dn/dt) ~ –1,4 × 10^–4 in Einheiten von k^–1 im 297 ≤ t ≤ 337 K -Bereich.^[60]

Elektrische Eigenschaften

Die meisten konventionellen Polymere wie Polyethylen sind elektrische Isolatoren, aber die Entwicklung von Polymeren enthalten π-konjugierte Bindungen hat zu einer Fülle von Polymerbasis geführt Halbleiter, wie zum Beispiel Polythiophene. Dies hat zu vielen Anwendungen im Bereich von geführt Organische Elektronik.

Anwendungen

Heutzutage werden in fast allen Lebensbereichen synthetische Polymere verwendet. Die moderne Gesellschaft würde ohne sie ganz anders aussehen. Die Ausbreitung der Polymerkonsum ist mit ihren einzigartigen Eigenschaften verbunden: niedrige Dichte, niedrige Kosten, gute thermische/elektrische Isolationseigenschaften, hohe Resistenz gegen Korrosion, mit geringe Energie forderende Polymerherstellung und einfache Verarbeitung in Endprodukte. Für eine bestimmte Anwendung können die Eigenschaften eines Polymers durch Kombination mit anderen Materialien wie in eingestellt oder verbessert werden Verbundwerkstoffe. Ihre Anwendung ermöglicht es, Energie (leichtere Autos und Flugzeuge, thermisch isolierte Gebäude) zu sparen, Lebensmittel und Trinkwasser (Verpackung) zu schützen, Land zu sparen und Düngemittel (synthetische Fasern) zu sparen, andere Materialien (Beschichtungen) zu bewahren, Leben zu schützen und zu retten (Leben (sparen) (Lifes (Save Lifes) (Lifes (Save Lifees) (Lifes () (Synthetikfasern) (Verpackungen), die Lebensdünger (synthetische Fasern) zu sparen, Lebensdauer (zu retten (Lebensdauer) (Lifes () zu bewahren (Lebensdünge (Lifte) (Synthetikfasern) zu sparen, Lebensdaten (zu retten (Lebensdauer) zu schützen (Lifes () zu schützen und zu sparen ( Hygiene, medizinische Anwendungen). Eine repräsentative, nicht exexhustive Liste von Anwendungen ist unten angegeben.

• Kleidung, Sportbekleidung und Accessoires: Polyester und PVC -Kleidung, Elasthan, Sportschuhe, Neoprenanzüge, Fußbälle und Billardkugeln, Skier und Snowboards, Schläger, Fallschirme, Segel, Zelte und Unterkünfte.
• Elektronische und photonische Technologien: organisch Feldeffekttransistoren (Ofet), Leuchtdioden (OLED) und Solarzellen, Fernsehkomponenten, CDs (CD), Photoresistern, Holographie.
• Verpackung und Behälter: Filme, Flaschen, Lebensmittelverpackung, Fässer.
• Isolierung: elektrisch und Wärmeisolierung, Sprühschäume.
• Konstruktion und strukturelle Anwendungen: Gartenmöbel, PVC Fenster, Bodenbeläge, Abdichtung, Rohre.
• Farben, Klebstoffe und Schmiermittel: Lack, Klebstoffe, Dispergiermittel, Anti-Graffiti-Beschichtungen, Antifouling -Beschichtungen, Nicht-Schichtflächen, Schmiermittel.
• Autoteile: Reifen, Stoßstangen, Windschutzscheiben, Scheibenwischer, Treibstofftanks, Autositze.
• Haushaltsgegenstände: Eimer, Geschirr, Spielzeug (z. B.,, Bausätze und Zauberwürfel).
• Medizinische Anwendungen: Blutbeutel, Spritzen, Gummihandschuhe, chirurgische Naht, Kontaktlinsen, Prothese, kontrollierte Arzneimittelabgabe und Freigabe, Matrizen für das Zellwachstum.
• Persönliche Hygiene und Gesundheitsversorgung: Windeln Verwendung Superabsorbenpolymere, Zahnbürsten, Kosmetika, Shampoo, Kondome.
• Sicherheit: persönliche Schutzausrüstung, kugelsichere Weste, Raumanzüge, Seile.
• Trennungstechnologien: Synthetische Membranen, Brennstoffzellmembranen, Filtration, Ionenaustauschharze.
• Geld: Polymer -Banknoten und Zahlungskarten.
• 3d Drucken.

Standardisierte Nomenklatur

Es gibt mehrere Konventionen für die Benennung von Polymersubstanzen. Viele häufig verwendete Polymere, wie sie in Verbraucherprodukten enthalten sind, werden durch einen gemeinsamen oder trivialen Namen bezeichnet. Der triviale Name wird auf der Grundlage historischer Präzedenzfälle oder einer populären Verwendung und nicht einer standardisierten Namenskonvention zugeordnet. Beide American Chemical Society (ACS)^[61] und IUPAC^[62] standardisierte Namenskonventionen vorgeschlagen haben; Die ACS- und IUPAC -Konventionen sind ähnlich, aber nicht identisch.^[63] Beispiele für die Unterschiede zwischen den verschiedenen Namenskonventionen sind in der folgenden Tabelle angegeben:

In beiden standardisierten Konventionen sollen die Namen der Polymere die Monomer (en) widerspiegeln, aus denen sie eher synthetisiert werden (Quellenbasis -Nomenklatur) als die genaue Natur der sich wiederholenden Untereinheit. Zum Beispiel das Polymer, das aus dem einfachen Alken synthetisiert wurde Ethen wird als Polyethen bezeichnet und behält die beibehalten -ee Suffix, obwohl die Doppelbindung während des Polymerisationsprozesses entfernt wird:

→

Die auf IUPAC strukturbasierte Nomenklatur basiert jedoch auf der Benennung des Vorzugs konstitutionelle Wiederholungseinheit.^[64]

Charakterisierung

Die Polymercharakterisierung umfasst viele Techniken zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung, der Molekulargewichtsverteilung und der physikalischen Eigenschaften. Wählen Sie gemeinsame Techniken aus: Folgendes:

• Größenexklusionschromatographie (auch genannt Gelpermeationschromatographie), manchmal gepaart mit Statische Lichtstreuung, kann verwendet werden, um das zahlungsdurchschnittliche Molekulargewicht, das Gewichtsdurchschnittliche Molekulargewicht zu bestimmen und Dispersität.
• Streutechniken wie z. Statische Lichtstreuung und Kleinwinkel-Neutronenstreuungwerden verwendet, um die Abmessungen zu bestimmen (Radius der Gyration) von Makromolekülen in Lösung oder in der Schmelze. Diese Techniken werden auch verwendet, um die dreidimensionale Struktur von mikrophase-getrennten zu charakterisieren Blockpolymere, polymere Mizellen und andere Materialien.
• Weitwinkelröntgenstreuung (Auch als Weitwinkel-Röntgenbeugung bezeichnet) wird verwendet, um die kristalline Struktur von Polymeren (oder dessen Fehlen) zu bestimmen.
• Spektroskopie -Techniken, einschließlich Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie, Raman -Spektroskopie, und Kernresonanzspektroskopiekann verwendet werden, um die chemische Zusammensetzung zu bestimmen.
• Differentielle Scanningkalorimetrie wird verwendet, um die thermischen Eigenschaften von Polymeren wie Glasübergangstemperatur, Kristallisationstemperatur und Schmelztemperatur zu charakterisieren. Die Glasübergangstemperatur kann auch durch bestimmt werden Dynamische mechanische Analyse.
• Thermogravimetrie ist eine nützliche Technik zur Bewertung der thermischen Stabilität des Polymers.
• Rheologie wird verwendet, um das Fluss- und Verformungsverhalten zu charakterisieren. Es kann verwendet werden, um die zu bestimmen Viskosität, Modulund andere rheologische Eigenschaften. Die Rheologie wird auch häufig verwendet, um die molekulare Architektur (Molekulargewicht, Molekulargewichtsverteilung, Verzweigung) zu bestimmen und zu verstehen, wie das Polymer verarbeitet werden kann.

Degradierung

Ein Plastikartikel mit dreißig Jahren Exposition gegenüber Wärme und Kälte, Bremsflüssigkeit und Sonnenlicht. Beachten Sie die Verfärbung, Schwellung und Verrückt des Materials

Polymerabbau ist eine Veränderung der Eigenschaften - eine angesehene Stärke, Farbe, Form oder Molekulargewicht-eines Produkts auf Polymer- oder Polymerbasis unter dem Einfluss eines oder mehrerer Umweltfaktoren wie z. Wärme, hellund das Vorhandensein bestimmter Chemikalien, Sauerstoff und Enzyme. Diese Änderung der Eigenschaften ist häufig das Ergebnis des Bindungsunterbrechers im Polymer Rückgrat (Kettenspaltung), die an den Kettenenden oder an zufälligen Positionen in der Kette auftreten können.

Obwohl solche Änderungen in einigen Fällen häufig unerwünscht sind, wie z. Biologischer Abbau und RecyclingSie können die Umwelt verhindern sollen Umweltverschmutzung. Der Abbau kann auch in biomedizinischen Umgebungen nützlich sein. Zum Beispiel ein Copolymer von Polymilchsäure und Polyglykolsäure wird in hydrolysiblen Stichen eingesetzt, die sich nach der Anwendung einer Wunde langsam verschlechtern.

Die Anfälligkeit eines Polymers für den Abbau hängt von seiner Struktur ab. Epoxids und Ketten, die aromatische Funktionalitäten enthalten, sind besonders anfällig für UV -Abbau Während Polyester anfällig für eine Verschlechterung durch sind Hydrolyse. Polymere mit an ungesättigt Rückgrat abbauend über Ozon knacken. Polymere auf Kohlenstoffbasis sind anfälliger für den thermischen Abbau als anorganische Polymere wie zum Beispiel Polydimethylsiloxan und sind daher nicht ideal für die meisten Hochtemperaturanwendungen.

Der Abbau von Polyethylen erfolgt durch zufällige Spaltung - ein zufälliger Bruch der Bindungen, die die enthalten Atome des Polymers zusammen. Bei erhitzter Erhitze über 450 ° C verschlechtert sich Polyethylen zu einer Mischung aus Kohlenwasserstoffen. Im Falle einer Ketten-End-Spaltung werden Monomere freigesetzt und dieser Prozess wird als Entpippung oder bezeichnet Depolymerisation. Welcher Mechanismus dominiert von der Art von Polymer und Temperatur; Im Allgemeinen zersetzen sich Polymere ohne oder einen einzelnen kleinen Substituenten in der Wiederholungseinheit durch Zufallskettenspaltung.

Die Sortierung von Polymerabfällen für Recyclingzwecke kann durch die Verwendung des Harzidentifikationscodes entwickelt von der Gesellschaft der Kunststoffindustrie Um den Kunststofftyp zu identifizieren.

Produktausfall

Chlorangriff des Acetalharzleitungsgelenks

Versagen von Sicherheitskritisch Polymerkomponenten können schwerwiegende Unfälle verursachen, wie z. Kraftstoffleitungen. Chlor-induziertes Riss von Acetalharz Sanitärverbindungen und Polybutylen Pipes hat viele schwerwiegende Überschwemmungen in häuslichen Immobilien verursacht, insbesondere in den USA in den neunziger Jahren. Spuren von Chlor In der Wasserversorgung griff Polymere an, die in der Sanitär vorhanden sind, ein Problem, das schneller auftritt, wenn einer der Teile schlecht war extrudiert oder Injektionsgeformt. Der Angriff des Acetalgelenks trat aufgrund fehlerhafter Formteile auf, was dazu führte Spannungskonzentration.

Ozon-induziertes Knacken im Naturkautschukrohr

Die Polymeroxidation hat zu Unfällen geführt medizinische Geräte. Einer der ältesten bekannten Fehlermodi ist Ozonrisse, die durch Kettenspaltung verursacht werden, wenn Ozon Gasangriffe anfällig Elastomere, wie zum Beispiel natürliches Gummi und Nitrilkautschuk. Sie besitzen doppelte Bindungen in ihren Wiederholungseinheiten, die während der Spaltung Ozonolyse. Risse in Kraftstoffleitungen können in die Bohrung des Rohrs eindringen und Kraftstoffverlust verursachen. Wenn im Motorraum ein Knacken auftritt, können elektrische Funken die Zündung des Benzin und kann ein ernstes Feuer verursachen. Im medizinischen Gebrauch kann der Abbau von Polymeren zu Veränderungen der physikalischen und chemischen Eigenschaften implantierbarer Geräte führen.^[65]

Nylon 66 ist anfällig für Säurehydrolyseund bei einem Unfall führte eine gebrochene Kraftstoffleitung zu einem Verschütten von Diesel in die Straße. Wenn Dieselkraftstoff Lecks auf die Straße, Unfälle gegen folgende Autos können durch die rutschige Natur der Lagerstätte verursacht werden, die wie Glatteis. Außerdem die Asphalt, Beton Die Straßenoberfläche erleidet Schäden infolge des Dieselbrennstoffs, die das auflöst Asphaltene Aus dem Verbundmaterial führt dies zum Abbau der Asphaltoberfläche und der strukturellen Integrität der Straße.

Siehe auch

Verweise

Literaturverzeichnis

• Cowie, J. M. G. (John McKenzie Grant) (1991). Polymere: Chemie und Physik moderner Materialien. Glasgow: Blackie. ISBN 978-0-412-03121-2.
• Hall, Christopher (1989). Polymermaterialien (2. Aufl.). London; New York: Macmillan. ISBN 978-0-333-46379-6.
• Rudin, Alfred (1982). Die Elemente der Polymerwissenschaft und des Ingenieurwesens. Akademische Presse. ISBN 978-0-12-601680-2.
• Wright, David C. (2001). Umweltstressrisse von Kunststoffen. Rapra. ISBN 978-1-85957-064-7.

Externe Links

• So analysieren Sie Polymere mit Röntgenbeugung
• Polymerchemie -Hypertext, Bildungsressource
• Die Makrogalleria
• Einführung in Polymere
• Glossar der Polymerabkürzungen